KR20140109825A

KR20140109825A - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20140109825A
Application number: KR1020140025541A
Authority: KR
Inventors: 미노루 스즈키; 고타 후카야; 다카시 오카무라; 다로 아라카와
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-09-16
Also published as: US20140252392A1; TW201440264A; CN104037313A; JP2014175354A

Abstract

본 발명의 목적은 광의 취출 효율을 높일 수 있는 새로운 구성의 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
발광층을 표면에 구비한 칩(12)과, 칩의 이면(12b)과 칩을 지지하는 리드 프레임(11) 사이에 투광성을 갖는 수지로 접착되며, 또한 발광층으로부터 방출된 광을 투과시키는 투광성 부재(13)를 구비하는 구성으로 하였다. 이 구성에 따르면, 발광층을 구비하는 칩의 이면측에, 발광층으로부터 출사되는 광을 투과시키는 투광성 부재를 구비하기 때문에, 리드 프레임과의 계면에서 반사되어 발광층으로 되돌아가는 광의 비율을 낮게 억제하여, 광의 취출 효율을 높일 수 있다.

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광층이 형성된 칩을 구비하는 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등의 발광 디바이스가 실용화되어 있다. 이들 발광 디바이스는 통상 전압의 인가에 의해 광을 방출하는 발광층이 형성된 발광 칩을 구비한다. 발광 칩은, 발광층을 포함하는 복수의 반도체층의 적층체를 결정 성장용의 기판의 표면에 형성한 후, 그 기판을 임의로 분할함으로써 얻어진다.

예컨대, 분할 예정 라인으로 구획된 사파이어 기판의 표면에, n형 GaN층, InGaN층, p형 GaN층을 순서대로 에피택셜 성장시켜, n형 GaN층 및 p형 GaN층의 각각과 접속되는 전극을 형성한다. 그 후, 사파이어 기판을 분할 예정 라인을 따라 분할하면, 청색이나 녹색이 광을 발하는 발광 다이오드용의 발광 칩을 얻을 수 있다.

이 발광 칩의 이면측(사파이어 기판측)을 베이스가 되는 리드 프레임에 고정하고, 발광 칩의 표면측(적층체측)을 렌즈 부재로 덮음으로써, 발광 다이오드는 형성된다. 이러한 발광 다이오드에서는, 휘도의 향상이 중요한 과제로 되어 있고, 지금까지도 광의 취출 효율을 높이기 위한 여러가지 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성4-10670호 공보

그런데, 전압의 인가에 의해 발광층에서 생기는 광은 주로 발광층을 포함하는 적층체의 2개의 주면(표면 및 이면)으로부터 방출된다. 예컨대, 적층체의 표면(렌즈 부재측의 주면)으로부터 방출된 광은 렌즈 부재 등을 통하여 발광 다이오드의 외부로 취출된다. 한편, 적층체의 이면(사파이어 기판측의 주면)으로부터 방출된 광은 사파이어 기판에서 전파되며, 그 일부는 사파이어 기판과 리드 프레임의 계면 등에서 반사되어 적층체로 되돌아간다.

예컨대, 절삭 시의 가공성 향상 등을 목적으로 하여 발광 칩에 얇은 사파이어 기판을 이용하면, 적층체의 이면과, 사파이어 기판과 리드 프레임의 계면의 거리는 짧아진다. 이 경우, 사파이어 기판과 리드 프레임의 계면에서 반사되어 적층체로 되돌아가는 광의 비율은, 사파이어 기판이 두꺼운 경우와 비교하여 높아진다. 적층체는 광을 흡수하기 때문에, 이와 같이 적층체로 되돌아가는 광의 비율이 높은 발광 칩을 사용하면, 발광 다이오드의 광의 취출 효율은 저하하여 버린다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 광의 취출 효율을 높일 수 있는 구성을 갖는 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발광 다이오드는, 발광층을 표면에 구비한 칩과, 상기 칩의 이면과 상기 칩의 이면을 지지 고정하는 리드 프레임 사이에 투광성을 갖는 수지로 접착되며 또한 상기 발광층으로부터 출사된 광을 투과시키는 투광성 부재로 적어도 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 발광층을 구비하는 칩의 이면측에, 발광층으로부터 출사되는 광을 투과시키는 투광성 부재를 구비하기 때문에, 리드 프레임과의 계면에서 반사되어 발광층으로 되돌아가는 광의 비율을 낮게 억제하여, 광의 취출 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 발광 다이오드에 있어서, 상기 칩은 사파이어 기판 상에 GaN 반도체층으로 이루어지는 발광층이 적층되어도 좋다. 이 구성에 따르면, 청색이나 녹색이 광을 발하는 발광 다이오드에 있어서, 광의 취출 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 광의 취출 효율을 높일 수 있는 새로운 구성의 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 발광 다이오드의 구성예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 발광 다이오드의 발광 칩으로부터 광이 방출되는 모습을 나타내는 단면 모식도이다.
도 3은 비교예에 따른 발광 다이오드의 발광 칩에서 광이 방출되는 모습을 나타내는 단면 모식도이다.
도 4는 휘도의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 발광 다이오드의 구성예를 모식적으로 나타내는 사시도이며, 도 2는 본 실시형태에 따른 발광 다이오드의 발광 칩으로부터 광이 방출되는 모습을 나타내는 단면 모식도이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 발광 다이오드(1)는, 베이스가 되는 리드 프레임(11)과, 리드 프레임(11)에 지지 고정되는 발광 칩(칩)(12)을 구비하고 있다.

리드 프레임(11)은, 금속 등의 재료로 원기둥형으로 형성되어 있고, 한쪽의 주면에 상당하는 이면측에는, 도전성을 갖는 2개의 리드 부재(111a, 111b)가 마련되어 있다. 리드 부재(111a, 111b)는 서로 절연되어 있고, 각각 발광 다이오드(1)의 정극, 부극으로서 기능한다. 이 리드 부재(111a, 111b)는, 배선(도시하지 않음) 등을 통하여 외부의 전원(도시하지 않음)에 접속된다.

리드 프레임(11)의 다른쪽의 주면에 상당하는 표면(11a)에는, 서로 절연된 2개의 접속 단자(112a, 112b)가 정해진 간격을 두고 배치되어 있다. 접속 단자(112a)와 리드 부재(111a)는 리드 프레임(11)의 내부에 있어서 접속되어 있다. 또한, 접속 단자(112b)와 리드 부재(111b)는 리드 프레임(11)의 내부에 있어서 접속되어 있다. 이 때문에, 접속 단자(112a, 112b)의 전위는 각각 리드 부재(111a, 112b)의 전위와 같은 정도가 된다.

리드 프레임(11)의 표면(11a)에 있어서, 접속 단자(112a)와 접속 단자(112b) 사이의 위치에는, 발광 칩(12)이 배치되어 있다. 발광 칩(12)은 평면 형상이 직사각 형상인 사파이어 기판(121)과, 사파이어 기판(121)의 표면(121a)에 마련된 적층체(122)를 구비하고 있다(도 2). 적층체(122)는, GaN계의 반도체 재료를 이용하여 형성되는 복수의 반도체층(GaN 반도체층)을 포함한다.

적층체(122)는, 전자가 다수 캐리어가 되는 n형 반도체층(예컨대, n형 GaN층), 발광층이 되는 반도체층(예컨대, InGaN층), 정공이 다수 캐리어가 되는 p형 반도체층(예컨대, p형 GaN층)을 순서대로 에피택셜 성장시킴으로써 형성된다. 또한, 사파이어 기판(121)에는, n형 반도체층 및 p형 반도체층의 각각과 접속되며, 적층체(122)에 전압을 인가하는 2개의 전극(도시하지 않음)이 형성된다. 또한, 이들 전극은, 적층체(122)에 포함되어도 좋다.

사파이어 기판(121)의 이면(121b)측(즉, 발광 칩(12)의 이면(12b)측)에는, 직육면체형의 투광성 부재(13)가 배치되어 있다. 투광성 부재(13)는 유리나 수지 등의 재료로 형성되어 있고, 적층체(122)의 발광층으로부터 방사되는 광을 투과시킨다. 투광성 부재(13)의 표면(13a)의 면적은 사파이어 기판(121)의 이면(121b)의 면적보다 크게 되어 있다. 또한, 투광성 부재(13)는 사파이어 기판(121)과 동등 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

투광성 부재(13)의 표면(13a)은 투광성을 갖는 수지(도시하지 않음)로 사파이어 기판(121)의 이면(121b)(즉, 발광 칩(12)의 이면(12b))의 전체에 접착되어 있다. 또한, 투광성 부재(13)의 이면(13b)은 투광성을 갖는 수지(도시하지 않음)로 리드 프레임(11)의 표면(11a)에 접착되어 있다. 즉, 발광 칩(12)은 투광성 부재(13)를 통해 리드 프레임(11)의 표면(11a)에 고정되어 있다.

리드 프레임(11)에 마련된 2개의 접속 단자(112a, 112b)는 각각 도전성을 갖는 리드선(14a, 14b)을 통해 발광 칩(12)의 2개의 전극에 접속되어 있다. 이에 의해, 리드 부재(111a, 111b)에 접속되는 전원의 전압이 적층체(122)에 인가된다. 적층체(122)에 전압이 인가되면, 발광층이 되는 반도체층에는, n형 반도체층으로부터 전자가 유입되며, p형 반도체층으로부터 정공이 유입된다. 그 결과, 발광층이 되는 반도체층에 있어서 전자와 정공의 재결합이 생기고, 정해진 파장의 광이 방출된다. 본 실시형태에서는, GaN계의 반도체 재료를 이용하여 발광층이 되는 반도체층을 형성하고 있기 때문에, GaN계의 반도체 재료의 밴드 갭에 상당하는 청색이나 녹색의 광이 방출된다.

리드 프레임(11)의 표면(11a)측의 외주 가장자리에는, 발광 칩(12)의 표면(12a)측을 덮는 돔형의 렌즈 부재(15)가 부착되어 있다. 렌즈 부재(15)는, 정해진 굴절률을 갖는 수지 등의 재료로 형성되어 있고, 발광 칩(12)의 적층체(122)로부터 방출되는 광을 굴절시켜, 발광 다이오드(1)의 외부의 정해진 방향으로 유도한다. 이와 같이, 발광 칩(12)으로부터 방출된 광은 렌즈 부재(15)를 통하여 발광 다이오드(1)의 외부로 취출된다.

다음에, 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)에 있어서 발광 칩(12)으로부터 광이 취출되는 모습을, 비교예에 따른 발광 다이오드를 참조하면서 설명한다. 도 3은 비교예에 따른 발광 다이오드의 발광 칩으로부터 광이 방출되는 모습을 나타내는 단면 모식도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 비교예에 따른 발광 다이오드(2)는, 투광성 부재(13)를 제외하고 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)와 공통의 구성을 구비한다. 즉, 발광 다이오드(2)는, 평면 형상이 직사각 형상인 사파이어 기판(221)과, 사파이어 기판(221)의 표면(221a)에 마련된 적층체(222)를 구비하는 발광 칩(22)을 포함한다. 단, 사파이어 기판(221)의 이면(221b)은 리드 프레임(도시하지 않음)에 접착되어 있다.

본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)에 있어서, 발광층이 되는 반도체층에서 생긴 광은 주로 적층체(122)의 표면(122a)(즉, 발광 칩(12)의 표면(12a)), 및 이면(122b)으로부터 방출된다. 적층체(122)의 표면(122a)으로부터 방출된 광(예컨대, 광로(A1)를 전파하는 광)은, 전술한 바와 같이, 렌즈 부재(15) 등을 통하여 발광 다이오드(1)의 외부로 취출된다.

이 점은, 비교예에 따른 발광 다이오드(2)에서도 마찬가지이다. 즉, 발광 다이오드(2)에 있어서, 발광층이 되는 반도체층에서 생긴 광은 주로 적층체(222)의 표면(222a) 및 이면(222b)으로부터 방출된다. 적층체(222)의 표면(222a)으로부터 방출된 광(예컨대, 광로(A2)로 전파되는 광)은, 렌즈 부재(도시하지 않음) 등을 통하여 발광 다이오드(2)의 외부로 취출된다.

한편, 발광 다이오드(2)에 있어서, 적층체(222)의 이면(222b)으로부터 방출된 광의 일부(예컨대, 광로(B2)로 전파되는 광)는, 사파이어 기판(221)과 리드 프레임의 계면(사파이어 기판(221)의 이면(221b))에서 반사하여 적층체(222)로 되돌아간다. 적층체(222)는 광을 흡수하기 때문에, 비교예에 따른 발광 다이오드(2)에서는, 광로(B2)로 전파되는 광을 외부로 취출할 수 없다.

이에 대하여, 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)는, 사파이어 기판(121)의 이면(121b)에 투광성을 갖는 수지를 통해 투광성 부재(13)가 마련되어 있기 때문에, 적층체(122)의 이면(122b)으로부터 방출된 광은, 발광 다이오드(2)와는 상이한 광로에서 전파된다. 예컨대, 광로(B1)로 전파되는 광의 일부는, 사파이어 기판(121)과 투광성 부재(13)의 계면(즉, 사파이어 기판(121)의 이면(121b), 또는 투광성 부재(13)의 표면(13a))에 있어서 반사된다. 또한, 광로(B1)로 전파되는 광의 별도의 일부는, 사파이어 기판(121)과 투광성 부재(13)의 계면을 투과한다. 이와 같이, 광로(B1)로 전파되는 광의 일부는, 발광 다이오드(2)와 마찬가지로 적층체(122)에서 흡수되지만, 광로(B1)로 전파되는 광의 별도의 일부는, 투광성 부재(13)의 측면(13c) 등으로부터 외부로 취출된다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)는, 발광층을 포함하는 적층체(122)를 표면(12a)측에 구비하는 발광 칩(칩)(12)의 이면(12b)측에, 발광층으로부터 출사되는 광을 투과시키는 투광성 부재(13)를 구비하기 때문에, 리드 프레임(11)과의 계면에서 반사하여 발광층(적층체(122))으로 되돌아가는 광의 비율을 낮게 억제하여, 광의 취출 효율을 높일 수 있다.

또한, 사파이어 기판은 딱딱하며 용이하게 가공되지 않기 때문에, 얇은 사파이어 기판을 이용하여 가공성을 높여 두는 것이 바람직하다. 이 경우, 비교예의 발광 다이오드(2)에서는, 적층체(222)의 이면(222b)과, 사파이어 기판(221)과 리드 프레임의 계면의 거리가 짧아지고, 상기 계면에서 반사하여 적층체(222)로 되돌아가는 광의 비율은 높아지기 때문에, 광의 취출 효율은 저하하여 버린다. 이에 대하여, 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)에서는, 사파이어 기판(121)을 얇게 하여도 투광성 부재(13)에 의해 광의 취출 효율을 높게 유지할 수 있다. 즉, 광의 취출 효율을 유지하기 위해 사파이어 기판을 두껍게 하여 가공성을 희생시킬 필요는 없다.

다음에, 본 실시형태에 따른 발광 다이오드(1)의 유효성을 확인하기 위해 행한 실험에 대해서 설명한다. 본 실험에서는, 각각 상이한 크기의 투광성 부재를 구비하는 복수의 발광 다이오드의 휘도를 측정하였다. 구체적으로는, 각 발광 다이오드로부터 방사되는 모든 광의 강도(파워)의 합계값을 측정하고(전체 방사속 측정), 투광성 부재를 이용하지 않은 비교예를 기준(100％)으로 하는 휘도로 환산하였다. 도 4는 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4에 있어서, 종축은 각 발광 다이오드의 전체 방사속(㎽) 또는 휘도(％)를 나타내고 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실험에서는, 투광성 부재를 이용하는 5종류의 발광 다이오드(실시예 1∼5) 및 투광성 부재를 이용하지 않는 발광 다이오드(비교예)에 대해서 휘도를 측정하였다. 실시예 1∼5 및 비교예의 전부에 있어서 공통의 발광 칩을 이용하였다. 구체적으로는, 표면 및 이면의 면적(세로×가로)이 0.595 ㎜×0.270 ㎜이며, 두께(높이)가 0.15 ㎜인 사파이어 기판에, GaN 반도체층으로 이루어지는 발광층이 형성된 발광 칩을 이용하였다. 사파이어 기판과 투광성 부재의 접착은, 흡광도가 충분히 작은 수지제의 접착제를 이용하여 행하였다.

실시예 1에서는, 표면 및 이면의 면적(세로×가로)이 0.7 ㎜×0.3 ㎜이며, 두께(높이)가 0.15 ㎜인 유리 기판을 투광성 부재로서 이용하였다. 실시예 2에서는, 표면 및 이면의 면적이 0.7 ㎜×0.6 ㎜이며, 두께가 0.15 ㎜인 유리 기판을 투광성 부재로서 이용하였다. 실시예 3에서는, 표면 및 이면의 면적이 0.7 ㎜×0.9 ㎜이며, 두께가 0.15 ㎜인 유리 기판을 투광성 부재로서 이용하였다. 실시예 4에서는, 표면 및 이면의 면적이 0.7 ㎜×0.9 ㎜이며, 두께가 0.30 ㎜인 유리 기판을 투광성 부재로서 이용하였다. 실시예 5에서는, 표면 및 이면의 면적이 0.7 ㎜×0.9 ㎜이며, 두께가 0.50 ㎜인 유리 기판을 투광성 부재로서 이용하였다. 또한, 실시예 4에서는, 실시예 3의 유리 기판을 2장 접합하여 투광성 부재로 하였다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 발광 칩의 이면측에 투광성 부재를 마련하면, 광의 취출 효율을 높일 수 있다. 또한, 투광성 부재의 표면 및 이면의 면적이 커지면, 발광 다이오드의 휘도가 높아지고, 투광성 부재가 두꺼워지면, 발광 다이오드의 휘도가 높아진다고 하는 경향을 확인할 수 있었다. 투광성 부재는, 리드 프레임에의 실장에 영향이 없는 범위에서 크게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태의 기재에 한정되지 않고, 여러가지 변경하여 실시 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 사파이어 기판과 GaN계의 반도체 재료를 이용하는 발광 칩을 예시하였지만, 결정 성장용의 기판 및 반도체 재료는 이것에 한정되지 않는다. 또한, 가공성을 높이기 위해서는, 사파이어 기판 등의 결정 성장용의 기판을 얇게 하면 좋지만, 결정 성장용의 기판은 반드시 얇지 않아도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, n형 반도체층, 발광층이 되는 반도체층, 및 p형 반도체층을 순서대로 마련한 적층체(122)를 예시하였지만, 적층체(122)의 구성은 이것에 한정되지 않는다. 적층체(122)는 적어도 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 방출할 수 있도록 구성되어 있으면 좋다. 그 외에 상기 실시형태에 따른 구성, 방법 등은 본 발명의 목적의 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.

본 발명은 발광층이 형성된 칩을 구비하는 발광 다이오드의 광 취출 효율을 높이기 때문에 유용하다.

1 : 발광 다이오드
11 : 리드 프레임
11a : 표면
12 : 발광 칩(칩)
12a : 표면
12b : 이면
13 : 투광성 부재
13a : 표면
13b : 이면
13c : 측면
14a : 리드선
14b : 리드선
15 : 렌즈 부재
111a : 리드 부재
111b : 리드 부재
112a : 접속 단자
112b : 접속 단자
121 : 사파이어 기판
121a : 표면
121b : 이면
122 : 적층체
122a : 표면
122b : 이면
A1 : 광로
A2 : 광로
B1 : 광로
B2 : 광로

Claims

발광층을 표면에 갖는 칩과,
상기 칩의 이면과 상기 칩의 이면을 지지 고정하는 리드 프레임 사이에 투광성을 갖는 수지로 접착되며 또한 상기 발광층으로부터 출사된 광을 투과하는 투광성 부재
를 구비한 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 칩은, 사파이어 기판 상에 GaN 반도체층으로 이루어지는 발광층이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.